用于操作焦炉设备的方法与流程

本发明总体上涉及一种用于操作焦炉设备的方法以及相应的焦炉设备。

背景技术：

1、众所周知，现代炼焦设备或焦炉设备被构造在可包含少至十个至超过一百个焦炉室的组(battery)中。由于焦化室的物理尺寸(窄、长且高)，它们有时被称为槽式炉(slotoven)。炉被设计和操作以允许收集焦化过程中由煤产生的挥发性产物。焦化过程通常以循环方式操作，重复以下主要步骤：装料；焦化；和推出(清空)。

2、操作焦化过程所需的热量通常由可燃气体的燃烧提供。虽然这些气体可以具有任何适当的性质，但出于经济原因，如果焦炉设备内可用，则可以使用高炉煤气。

3、此外，由于高炉的操作是复杂的并且不断地需要考虑许多参数并修改输入变量以便生产良好质量和产量的生铁，所以所得高炉煤气的组成随时间或多或少地剧烈波动。

4、因此，使用高炉煤气的焦炉加热/下部燃烧(underfiring)系统的操作远非理想，不仅因为其低热值，而且还因为其组成剧烈波动。

5、技术问题

6、本发明的目的是提供一种用于操作焦炉设备的方法，该焦炉设备可以用高炉煤气进行下部燃烧，而且通过提供对下部燃烧气体的大大增强和更灵活的控制而在下部燃烧系统中提供更好且更可靠的加热，尤其旨在随时保持焦炉的最佳燃烧参数和效率。优选地，该方法不仅应当适用于新焦炉设备，而且还应当适用于现有设备。

技术实现思路

1、为了实现该目的，本发明在第一方面提出了一种用于操作焦炉设备的方法，该方法包括以下步骤：

2、a)提供包含一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)和氢气(h2)的高炉煤气流，以及包含氢气、一氧化碳和甲烷(ch4)(和其他烃)的焦炉煤气流；

3、b)通过在co转化器单元中将一氧化碳转化为二氧化碳来处理所述高炉煤气流的(至少)一部分以获得经处理的高炉煤气流；

4、c)使来自步骤b)的所述经处理的高炉煤气流在co2贫化单元中去除二氧化碳以获得初级贫co2高炉煤气流；

5、d)将来自步骤c)的所述初级贫co2高炉煤气流与所述高炉煤气流的部分在第一混合单元中混合以获得次级贫co2高炉煤气流；

6、e)将来自步骤d)的所述次级贫co2高炉煤气流与所述焦炉煤气流的部分在第二混合单元中混合以获得三级贫co2煤气流；

7、f)将所述三级贫co2煤气流供给至来自所述焦炉设备的焦炉的下部燃烧系统，以将煤转化为焦炭，从而产生焦炉煤气和废气。

8、根据本发明，次级贫co2高炉煤气流的一种或多种性质由第一混合单元下游的第一分析器确定，并且三级贫co2煤气流的一种或多种性质由第二混合单元下游的第二分析器确定。基于由所述第一分析器和第二分析器确定的所述性质来控制高炉煤气流的部分和焦炉煤气流的部分，以调整所述三级贫co2煤气流中的选自co2含量(或co2浓度)、co含量(或co浓度)、h2含量(或h2浓度)、沃泊指数(wobbe index)、化学计量燃烧空气/氧气需求和低位发热量的所述一种或多种性质中的至少一种，从而控制所述下部燃烧系统的操作。

9、在第二方面，本发明提出了一种焦炉设备，其优选地被配置用于实施本文描述的用于操作焦炉设备的方法，所述焦炉设备包括

10、a)高炉煤气源，特别是高炉煤气网络，其被配置用于提供包含一氧化碳co、二氧化碳co2和氢气h2的高炉煤气流，以及焦炉煤气源，特别是焦炉煤气网络或在焦炉设备本身中产生的焦炉煤气，其被配置用于提供包含氢气h2、一氧化碳co和甲烷ch4(和其他烃)的焦炉煤气流；

11、b)co转化器单元，其流体连接至所述高炉煤气源并被配置用于通过将一氧化碳转化为二氧化碳来处理所述高炉煤气流的(至少)一部分以获得经处理的高炉煤气流；

12、c)co2贫化单元，其流体连接至所述co转化器单元并被配置用于从所述经处理的高炉煤气流中去除二氧化碳以获得初级贫co2高炉煤气流；

13、d)第一混合单元，其流体连接至所述co2贫化单元并可控地流体连接至所述高炉煤气源，所述第一混合单元被配置用于将来自所述co2贫化单元的所述初级贫co2高炉煤气流与所述高炉煤气流的部分混合以获得次级贫co2高炉煤气流，所述可控地流体连接至所述高炉煤气源包括可控高炉旁路流调节器，诸如第一可控阀；

14、e)第二混合单元，其流体连接至所述第一混合单元并可控地流体连接至所述焦炉煤气源，所述第二混合单元被配置用于将来自所述第一混合单元的所述次级贫co2高炉煤气流与所述焦炉煤气流的部分混合以获得三级贫co2煤气流，所述可控地流体连接至所述焦炉煤气源包括可控焦炉煤气流调节器，诸如第二可控阀；以及

15、f)来自所述焦炉设备的焦炉，其包括下部燃烧系统，所述下部燃烧系统流体连接至所述第二混合单元并且被配置用于燃烧所述三级贫co2煤气流以将煤转化为焦炭，从而产生焦炉煤气和废气。

16、根据本发明的焦炉设备还包括

17、-第一分析器，其位于第一混合单元下游(且第二混合单元上游)，被配置用于确定次级贫co2高炉煤气流的一种或多种性质；

18、-第二分析器，其位于第二混合单元下游(且下部燃烧系统上游)，被配置用于确定三级贫co2煤气流的一种或多种性质；以及

19、-控制单元，其被配置用于通过基于由所述第一分析器和第二分析器提供的所述性质来确定所述高炉煤气流的部分和所述焦炉煤气流的部分以及通过控制所述可控高炉旁路流调节器和所述可控焦炉煤气流调节器以调整所述三级贫co2煤气流中的选自co2含量(或co2浓度)、co含量(或co浓度)、h2含量(或h2浓度)、沃泊指数、化学计量燃烧空气/氧气需求和低位发热量的所述一种或多种性质中的至少一种，从而控制所述下部燃烧系统的操作。

20、高炉煤气(bfg)，也称为炉顶煤气，是高炉操作的副产物，当铁矿石用焦炭还原成金属铁时产生。高炉煤气主要由氮气、二氧化碳和一氧化碳以及一些氢气构成。在传统工艺中，高炉煤气通常包含约45-55％的n2、约15-25％的co、约15-25％的co2和约1-10％的h2。根据高炉操作或工艺，一氧化碳的体积分数可能会大于25％，而氢气的体积分数可能会大于10％，达到15％的h2，例如在使用天然气注入的高炉中。

21、虽然高炉煤气一般具有相对低的热值，并且虽然它不是理想的气体，但是它可以用于焦炉(组)的下部燃烧系统中。除了其一般较差的热值之外，一个主要缺点是它是冶金过程中不可避免的残留物或副产品，该过程的操作是为了最好地生产生铁，而无论该残留物的组成如何。因此，该组成可能会根据高炉的实际操作条件而随时间发生很大变化。因此，焦炉的运行不仅需要大量的高炉煤气，更重要的是：稳定和受控的运行非常困难。

22、虽然已知通过添加一定比例的焦炉煤气即焦化操作本身期间产生的气体(因为该气体具有较高的热值)来减轻高炉煤气热值差的问题，但是这不能显著减轻高炉煤气组成的可变性，并且因此不能显著减轻与其在焦炉下部燃烧系统中的使用相关的一些性质的可变性。相反，焦炉煤气本身是一种副产品，其组成可能随时间单独变化，从而潜在地进一步加剧下部燃烧系统的不稳定运行。

23、发明人得出结论，即使组合且受控地使用高炉煤气和焦炉煤气也不能可靠地提供对于下部燃烧系统的最佳操作而言其性质既合适又足够恒定的气体。然而，发明人发现，通过从高炉煤气的部分中消除大部分co2可以大大减少这两个问题，这虽然降低了总生产量，但在所得流中留下较大比例的热气体。此外，发明人发现，通过这种方式，他们实际上能够受益于控制下部燃烧气体性质的真实且额外的自由度，这将允许对所得气体的不同性质进行独立且因此更可靠的控制。事实上，发明人不仅认识到高炉煤气组成波动的主要因素是其可变的co2含量，而且还认识到其(至少部分)去除将产生具有显著不同且期望的性质的气体。事实上，通过将高炉煤气优选地(基本上)全部去除其co2，不仅可以增加所得气体的热值，而且更特别地与原始高炉煤气相比，所得贫co2高炉煤气的重要性质得到了改善，例如，其沃泊指数增加。沃泊指数是可燃气体的一个重要性质，因为当该性质保持在合理范围内时，燃烧器诸如用于下部燃烧系统的燃烧器通常会设置为最佳工作状态。

24、现在有两种具有非常不同的性质但源自相同的廉价高炉煤气的气体的事实提供了大且灵活的组合范围，通过该组合可以实现焦炉的更好的燃烧参数和效率。最后但并非最不重要的一点是，本发明的另一显著优点在于，可以在显著减少焦炉排气烟囱处的co2排放量的同时获得这些益处。

25、另外，由于高炉煤气还包含变化量很大的co，因此从高炉煤气中也减去这种气体将是有利的。然而，与co2相反，一方面co的问题更大，因为它是高度毒性的，并且其去除需要显著更严格的安全措施。因此，本发明提供通过任何适当的方法将一氧化碳转化为二氧化碳。然后，如下文进一步详述的，可以通过已知方法在单个操作中除去原始co2和新形成的co2。另一方面，再次与co2相反，co仍然提供一定的热值，其可以在下部燃烧系统的下游得到有价值的利用。如下文将进一步解释的，优选在有益的实施方式中使用的co到co2的转化是所谓的水煤气变换反应。如本领域技术人员将理解的，这将进一步减少焦炉排气烟囱处的co2排放量。

26、因此，本发明通过提供次级贫co2高炉煤气，通过更好地控制热波动和其他性质诸如沃泊指数，而允许增强焦炉操作的灵活性和可靠性，所述次级贫co2高炉煤气通过经由确定第一混合单元下游煤气的合适性质并将适当量的未处理的高炉煤气旁路至第一混合单元而添加适当且受控量的原始未经处理的高炉煤气来获得。优选地，高炉煤气的相应性质可以已经是获得的，诸如通过高炉煤气网络中的监测，或者可以用第三分析器单独确定并发送到控制单元，以甚至更准确地减少三级贫co2流的性质波动。

27、更进一步，通过有预见地将焦炉煤气的部分引入现在组合的至少部分去处co2的高炉煤气流(即次级贫co2高炉煤气)中，至少增强了供给到下部燃烧系统的气体的热值。事实上，焦炉煤气通常是在没有空气/氧气的情况下将煤加热至1100℃形成的。焦炉煤气的典型组成包括例如：氢气(h2-55％)、甲烷(ch4-24％)、一氧化碳(co-8％)、其他烃(cnhm-1.5-3％)。优选地，焦炉煤气的相应性质可以已经是获得的，诸如通过焦炉煤气网络中的监测，或者可以用第四分析器单独确定并发送到控制单元，以甚至更准确地减少三级贫co2流的性质波动。

28、该方法的整体监测和控制是通过连续确定或监测次级贫co2高炉煤气流(即，当需要时与未处理的高炉煤气混合的贫co2高炉煤气)的一种或多种性质以及三级贫co2煤气流(即，当需要时与未处理的高炉煤气和焦炉煤气混合的贫co2高炉煤气)的一种或多种性质并通过控制或命令设置在高炉煤气旁路和焦炉煤气进料内的流调节器诸如可控阀来进行的。当然，如果认为必要或有帮助的话，可以提供另外的监测点和/或控制点。

29、有利地，基于由所述第一分析器和第二分析器确定的所述性质来控制高炉煤气流的部分和焦炉煤气流的部分，以调整所述三级贫co2煤气流中的沃泊指数和低位发热量中的至少一种。

30、沃泊指数，通常记为iw，定义如下(以mj/nm3为单位)：

31、如果vc是高位发热量(或高热值)，并且gs是比重，并且

32、

33、其中ρstp是标准条件(0℃，101.325kpa)下气体的密度，ρ空气,stp是标准条件下空气的密度，m是气体的摩尔质量，且m空气是空气的摩尔质量，其为约28.96kg/kmol。

34、低位发热量(lhv；净热值；ncv或低热值；lcv)是燃料燃烧产生的可用热能的量度，以每单位质量或体积的物质的能量单位诸如kj/nm3来测量，假设燃烧过程中的水组分在燃烧结束时仍处于蒸气状态。因此，lhv通常定义为当产物冷却至150℃时燃烧释放的热量，这意味着水(以及可能的其他反应产物)的汽化潜热未被回收。

35、简而言之，本发明允许通过来自同一高炉煤气的两种不同气体的提供和受控组合而在显著更大的范围内灵活地调整下部燃烧气体的重要性质，诸如沃泊指数，以及通过根据需要或期望添加焦炉煤气来进一步调整下部燃烧气体的其他性质，诸如其低位发热量，从而允许对焦炉下部燃烧系统的操作进行显著增强和可靠的控制。此外，在实现这些益处的同时，整个焦化过程的碳足迹也显著减少。

36、优选地，具体或主要控制高炉煤气流的部分和焦炉煤气流的部分，以减少下部燃烧系统操作的波动。

37、在有利的实施方式中，与来自高炉煤气源或网络的高炉煤气的相同一种或多种性质的波动相比，三级贫co2流的选自co2含量、co含量、h2含量、化学计量燃烧空气/氧气需求、沃泊指数和低位发热量的一种或多种性质的波动降低至少5％，优选至少10％，更优选至少20％。

38、替代地或另外，具体或主要控制高炉煤气流的部分和焦炉煤气流的部分，以保持沃泊指数接近目标值和/或提高高炉煤气的低位发热量。

39、在有利的实施方式中，三级贫co2流的沃泊指数被控制在(下部燃烧系统特定的)沃泊指数的预设/目标值的+/-20％、优选+/-15％、更优选+/-10％的范围内。

40、在进一步有利的实施方式中，与来自高炉煤气源或网络的高炉煤气的lhv相比，三级贫co2流的低位发热量提高至少10％，优选至少20％，更优选至少30％。因此，通常将三级贫co2流的lhv调节在3700至5300kj/nm3的范围内，优选在4100至5000kj/nm3的范围内。

41、替代地或附加地，具体或主要控制高炉煤气流的部分和焦炉煤气流的部分以减少废气中的co2含量，即减少焦化过程的碳足迹。

42、在又一些有利的实施方式中，与在所有其他条件相同而未进行co2贫化(即仅通过旁路的来自高炉煤气源的高炉煤气和焦炉煤气)的情况下操作时相同废气的co2足迹相比，焦炉废气的co2足迹减少至少30％，优选至少60％，更优选至少90％。

43、如上文已经简要提及的，在优选实施方式中，该方法包括在步骤b)中在实施水煤气变换反应的co转化器单元中处理高炉煤气流的(至少)一部分，其中co在水(蒸气)的存在下转化为co2和氢气。因此，在焦炉设备中，co转化器单元优选包括水煤气变换反应器。在这种情况下，进一步产生氢气会增加所得气体的热值，同时仍然允许去除co，现在已转化为co2。

44、co2贫化单元中二氧化碳的去除可使用任何已知且适当的方法来完成，诸如化学吸收和/或物理吸附的一个或多个步骤。优选地，co2贫化步骤包括物理吸附和/或化学吸收中的一种或多种，诸如变压吸附(psa)、真空变压吸附(vpsa)、用(一种或多种)洗涤液捕获等。

45、co2贫化单元可以例如包括吸收器单元和汽提器单元。在吸收器中，洗涤液(诸如，例如胺水溶液)从高炉煤气中吸收co2(以及可能的其他酸性气体，诸如h2s)。然后，富含吸收的co2的洗涤液可以被输送到汽提器中，并在那里被加热。由此，洗涤液释放所吸收的co2并且洗涤液可以在吸收器中重新使用。释放的co2被回收、储存并可用于其他目的。

46、洗涤液可以是适合于从气体中去除co2的任何洗涤液。例如，洗涤液可包含单乙醇胺(mea)、二乙醇胺(dea)、甲基二乙醇胺(mdea)、二异丙胺(dipa)和/或二甘醇胺(dga)的溶液。

47、变压吸附(psa)是一种用于根据物质的分子特征和对吸附剂材料的亲和力在压力下从气体混合物中分离一些气体物质的技术。其在接近环境温度下操作。选择性吸附剂材料(例如沸石、活性炭等)用作捕集材料，在高压下优先吸附目标气体物质。然后该过程转向低压以解吸吸附的气体。真空变压吸附(vpsa)在接近环境压力的情况下从气态混合物中分离气体；然后该过程转向真空以使吸附剂材料再生。

48、在某些实施方式中，水煤气变换反应(步骤b))可以与变压吸附(步骤c))在所谓的吸着增强水煤气变换(sewgs)反应器中组合，例如在多床变压吸附(psa)单元中，其中容器中充满水煤气变换催化剂和co2吸附剂材料。sewgs反应器结合了催化水煤气变换反应和基于固体吸附剂的co2分离，例如k-促进的水滑石吸附剂，以在单个单元内实现co转化和co2捕获。

49、在本发明的上下文中，步骤b)和/或c)不仅可以在单个阶段或设备中组合，如果需要或期望，每个步骤可以替代地包括多于一种相同类型或不同类型的连续或并行的处理。

50、在又一有利实施方式中，化学计量燃烧空气需求或要求或化学计量燃烧氧气需求(即，实现最大燃烧效率所需的空气或氧气量)至少由所述第二分析器确定，以允许控制供给到下部燃烧系统的氧气或空气的量。

51、在本发明的上下文中，在高炉煤气的情况下术语“贫co2”或“co2贫化”用于指代与由高炉煤气源诸如高炉煤气网络或直接来自高炉顶部的高炉提供的原始高炉煤气相比，co2浓度已降低的气体(或降低所述浓度的作用)。除去co2后，高炉煤气可能仍包含残余浓度的co2。因此，“贫co2高炉煤气”通常是指“具有低co2浓度的高炉煤气”。特别地，在co2贫化单元中二氧化碳的去除使得初级贫co2高炉煤气流中的co2含量或浓度为至多10vol.-％，通常至多7.5vol.-％，优选至多5vol.-％，更优选至多2.5vol.-％。

52、因此，在又一个方面，本发明提出了使用本文所述的用于操作焦炉设备的方法或使用这种焦炉设备用于减少用高炉煤气加热的下部燃烧系统的操作中的波动。

53、替代地或附加地，本发明提出了使用本文所述的用于操作焦炉设备的方法或使用这种焦炉设备用于保持沃泊指数接近预设值或目标值并且用于提高高炉煤气的低位发热量。

54、替代地或附加地，本发明提出了使用本文所述的用于操作焦炉设备的方法或使用这种焦炉设备用于减少废气中的(不可再生的)co2含量，即用于减少废气或整个焦化过程的co2足迹。

55、根据本文描述的一种或多种实施方式的方法和焦炉设备实现了以下结果和益处中的至少一些：

56、在焦炉设备的烟囱处，co2足迹减少30％至最高90％及以上。

57、co2最终排放可以根据新的或现有焦炉组的热调节进行调整，保持加热烟道中的最佳燃烧条件，通过本文所述的旁路和调节来调节焦炉煤气的输入气体的lhv和/或沃泊指数。

58、专用控制单元/自动化系统(集成在现有自动化中或作为独立模块)可以管理设定点或目标值，以便适应最佳燃烧条件和/或最小co2排放。

59、标准仪器基本上足以分析和提供在线计算评估调节回路的最佳设定点所需的流的特性所需的数据。

60、可以提供专用自动化模块来连续记录热气体输入并且将调整调节阀的设定点，以保持组所需的热输入，根据燃烧结果调整输入气体的焦炉煤气的lhv和沃泊指数。可以调整贫co2高炉煤气流流量，以实现烟囱中co2排放量最低和高效燃烧，从而控制沃泊指数和再生加热系统中的最小lhv。

61、贫co2高炉煤气流可按原样用作仅加热的常规高炉煤气的替代方案，与上游高炉气体相比在任何情况下都具有更高的lhv和调整后的沃泊指数，并且比纯高炉煤气和混合气体情况下产生更低的co2排放量。

62、更重要的是，在co2贫化单元暂时不可用的情况下，焦炉组不需要停止，而是可以通过高炉煤气旁路供给，与焦炉煤气富集一起。

63、本发明的方法可以在新的焦炉设备和现有焦炉设备中实施，从而提供一种经济有效的方式来升级现有设备并允许新的操作灵活性、下部燃烧系统的更好的控制和效率和/或减少的co2排放。

64、本文公开的操作焦化设备的方法允许通过旨在优化co2排放(通过有利于第一混合单元中的初级贫co2的bfg流)、焦炉的燃烧参数(通过稳定沃泊指数或通过调整三级贫co2流中的lhv)和/或稳定热输入(通过减少三级贫co2流中的一种或多种性质诸如沃泊指数和/或lhv的波动)中的至少一种的算法来灵活管理不同的流。

65、最后，本发明的特别的优点是它可以在新的或现有的焦炉设备中实施。